3.1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Cu2O
3.1.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Cu2O
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ mol CuSO4/glucôzơ đến sản phẩm thu được ở điều kiện phản ứng như sau: tỷ lệ mol EG/Cu2+ là 0,6; nhiệt độ phản ứng 30oC, thời gian phản ứng 30 phút, tốc độ khuấy 100 vòng/phút. Trong đó tỷ lệ mol CuSO4/glucôzơ được thay đổi theo bảng dưới đây:
Bảng 3.1 Ký hiệu các mẫu phản ứng
Ký hiệu mẫu Mi M2 M3 m4 m5
Tỷ lệ mol Cu2+/glucôzơ 0 , 1 0 0,15 0 , 2 0 0,25 0,30
Sản phẩm Cu2O tổng hợp được phân tích trên giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) và SEM để xác định thành phần pha, hình thái học và kích thước hạt. Kết quả phân tích thể hiện qua hình 3.2 và bảng 3.2.
Mi
M
M
Trên phổ XRD các mẫu chế tạo thu được các pic ở (110), (111), (200), (220), (311), (222) là các pic đặc trưng của oxit Cu2O.
Hình 3.3. Ảnh SEM các mẫu Cu2O chế tạo ở tỷ lệ Cu2+/glucôzơ khác nhau
M5
Các hạt Cu2O hình cầu với các kích thước khác nhau được thể hiện qua kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM được tổng hợp trên bảng 3.2.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Cu2+/gỉucôzơ đến kích thước Cu2O
TT Mẫu Thành phần
pha
Kích thước hạt (SEM), nm
1 Mi Cu2O - Cu 200-350
2 M2 Cu2O 200-350
3 M3 Cu2O 200-400
4 m4 Cu2O 250-600
5 m5 Cu2O 200-700
Trên kết quả đo SEM, các hạt Cu2O hình thành ở các nồng độ dung dịch CuSO4 khác nhau có kích thước tinh thể khác nhau. Khi nồng độ Cu2+ tăng lên thì các hạt Cu2O tạo thành không còn đồng đều mà xuất hiện hạt to, hạt nhỏ. Khi nồng độ Cu2+ thấp các hạt tạo thành được phân bố đồng đều hơn. Chọn tỉ lệ mol Cu2+/glucôzơ phù hợp để phản ứng xảy ra là 0,15.
3.I.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất phân tán
Khảo sát sự ảnh hưởng nồng độ chất phân tán đến sự hình thành Cu2O được thực hiện khi thay đổi tỉ lệ EG/Cu2+, các điều kiện phản ứng khác được cố định như sau: tỉ lệ mol CuSO4/glucôzơ là 0,15; nhiệt độ phản ứng: 30oC; thời gian phản ứng:
30 phút; tốc độ khuấy 100 vòng/phút.
Kết quả khảo sát kích thước các hạt hình thành trong điều kiện thể tích chất phân tán khác nhau được thể hiện trong bảng 3.3. Kết quả chụp SEM cho thấy kích thước các hạt hình thành với nồng độ phân tán khác nhau là khác nhau.
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất phân tán đến kích thước Cu2O
TT Mẫu Tỉ lệ mol EG/Cu2+ Kích thước hạt,
nm
1 N1 0,15 150-800
2 N2 0,30 100-700
3 N3 0,45 200-600
4 n 4 0,60 200-350
5 N5 0,90 100-350
Khi tăng hàm lượng chất phân tán (EG) thì kích thước hạt giảm dần, xu hướng kết cụm thành các hạt lớn hơn được khống chế theo yêu cầu đặt ra và kích thước các hạt đồng đều hơn trong môi trường phân tán tốt. Nhưng khi tăng tỉ lệ EG/Cu2+ lên trên 0,6 thì kích thước hạt gần như không có sự thay đổi nhiều. Đó có thể là do khi hình thành hạt Cu2O đã được phân tán trong môi trường EG phù hợp không có xu hướng kết cụm thành các hạt Cu2O lớn hơn. Dựa vào kết quả thu được, điều kiện tối ưu được lựa chọn khi sử dụng tỉ lệ mol EG/Cu2+ là 0,6 với kích thước hạt thu được là từ 200 - 350 nm.
3.I.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ khuấy
Các công trình nghiên cứu trước đã khẳng định tốc độ khuấy có ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của các hạt Cu2O tạo thành. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hình thái học của các hạt thông qua chụp ảnh SEM các mẫu chế tạo được thể hiện trong hình 3.4. Các mẫu tiến hành ở các điều kiện phản ứng: tỉ lệ Cu2+/glucôzơ =0,15; tỉ lệ EG/Cu2+ = 0,6; nhiệt độ phản ứng: 30oC; thời gian phản ứng: 30 phút; tốc độ khuấy khảo sát từ 50, 100, 200, 400 vòng/phút. Kết quả được thể hiện trên hình dưới đây:
(c) (d)
Hình 3.5. Ảnh SEM các mẫu chế tạo với tốc độ khuấy khác nhau (a), (b), (c), (d) ứng với tốc độ khuấy: 50, 100, 200, 400 vòng/phút
Trong quá trình hình thành hạt, tốc độ khuấy ảnh hưởng lớn đền hình dạng của Cu2O. Sự thay đổi kích thước hạt phụ thuộc vào tốc độ khuấy không theo quy luật đồng biến. Khi tăng tốc độ khuấy từ 50 vòng/phút đến 200 vòng/phút kích thước hạt nhỏ dần nhưng khi tăng lên 400 vòng/phút thì kích thước hạt lại tăng. Khi tốc độ khuấy cao độ đồng đều của hạt giảm, hình dạng của hạt cũng có sự khác nhau. Hiện tượng này có thể do khi tốc độ khuấy nhanh sẽ làm cho các hạt sinh ra có tăng khả năng va chạm với nhau nhiều hơn, khi lực va chạm lớn sẽ dẫn đến các hạt kết dính lại với nhau tạo nên hạt có kích thước lớn hơn và hình dạng bị thay đổi.
3.I.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng đến quá trình khử Cu2+ (CuSO4) thành Cu và Cự Để nghiên cứu sự ảnh hưởng này ta tiến hành điều chế ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau từ nhiệt độ 30oC đến 60oC, các điều kiện khác được giữ nguyên. Kết quả được thể hiện trong hình 3.6.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.6. Ảnh SEM các mẫu hạt Cu2O hình thành ở nhiệt độ khác nhau (a), (b), (c), (d) ứng với nhiệt độ phản ứng: 30oC, 40oC, 50oC, 60oC
Kết quả chụp SEM cho thấy hình dạng, kích thước các hạt thu được, tiến hành phản ứng ở nhiệt độ 30 - 50oC cho các hạt có kích thước đồng đều nhau trong khoảng từ 200 - 400 nm. Ở nhiệt độ cao hơn 60oC cho thấy khi nhiệt độ tăng thì hình dạng các hạt bắt đầu có sự thay đổi, các hạt có xu hướng kết khối lại với nhau, có sự xuất hiện tinh thể lập phương của Cu2O. Điều này cho thấy để có hình dạng và kích thước đồng đều nên tiến hành phản ứng ở nhiệt độ dưới 50oC.
3.I.2.6. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Các điều kiện phản ứng sau khi khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Cu2O đã được lựa chọn. Thời gian phản ứng được khảo sát thông qua màu của dung dịch phản ứng và việc kiểm tra sự có mặt của muối đồng còn lại
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất hình thành Cu2O.
Mẫu
Thời gian phản ứng,
phút Hiệu suất, %
T1 2 0 71,5
T2 30 85,3
T3 45 86,5
T4 60 89,2
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến kích thước hạt và hiệu suất phản ứng cho thấy trong giai đoạn đầu, hiệu suất phản ứng tăng nhanh và kèm theo sự tăng kích thước hạt, kích thước tinh thể. Khi thời gian phản ứng diễn ra trong khoảng thời gian đầu < 20 phút chưa có sự hình thành tinhh thể Cu2O. Màu của dung dịch phản ứng chuyển từ màu xanh sang màu vàng nâu. Sau thời gian này dung dịch chuyển dần sang màu nâu đỏ và khi phản ứng gần kết thúc, hồn hợp phản ứng có màu đỏ gạch (sau 30 phút). Tuy nhiên, khi phản ứng diễn ra gần hoàn toàn, các hạt hình thành có xu hướng kết cụm lại tạo ra các hạt lớn hơn. Với kết quả khảo sát này, thời gian thực hiện phản ứng ở các điều kiện đã chọn thực hiện ở 30 phút nên.
100 9 5 ----
65
20 25 30 35 40 45 50 55 60
Thời gian, phút
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo Cu2O
Nhận xét chung:
Trong phạm vi nghiên cứu, đề tài đưa ra được chế độ phản ứng tối ưu bao gồm:
- Tỷ lệ Cu2+/glucôzơ = 0,15 - Tỷ lệ mol EG/Cu2+ = 0,6 - Tốc độ khuấy: 100 vòng/phút - Nhiệt độ phản ứng: 30oC;
- Thời gian phản ứng: 30 phút.